Wstęp do Chemii bionieorganicznej – prezentacja
Wstęp do Chemii bionieorganicznej – prezentacja
Wstęp do Chemii bionieorganicznej – prezentacja
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Barbara BECKER<br />
<strong>Wstęp</strong><br />
<strong>do</strong> <strong>Chemii</strong><br />
Bionieorganicznej<br />
Skrzyp olbrzymi<br />
Equisetum maximum<br />
Kryształy kwarcu
Chemia<br />
bionieorganiczna<br />
czy nieorganiczna<br />
biochemia<br />
Życie powstało w rejonach przybrzeżnych …<br />
Cel -<br />
wyjaśnienie roli jaką pierwiastki takie<br />
jak np. Na, K, Ca i Mg oraz tzw. niezbędne<br />
pierwiastki śla<strong>do</strong>we (np. Cu, Zn, Fe, Co,<br />
Ni, F, I, Se) spełniają w procesach życiowych.
Fotosynteza<br />
Angażuje takie pierwiastki jak Mn<br />
(centrum utleniania O 2- <strong>do</strong> O 2 ), Fe<br />
i Cu (przenoszą elektrony) czy Mg<br />
(światło chlorofil).
Tylko 11 pierwiastków:<br />
Skład pierwiastkowy ciała <strong>do</strong>rosłego człowieka<br />
H, O, C, N, Ca, P, Na, K, S, Cl i Mg<br />
<strong>do</strong>starcza około 99,9 % wszystkich<br />
atomów składających się na ciało<br />
statystycznego człowieka !!!<br />
Pierwiastki budulcowe<br />
•Białka, tłuszcze, cukry itp.<br />
•Płyny ustrojowe (woda i np. NaCl)<br />
•Szkielet (Ca, C, P)
Tlen<br />
Węgiel<br />
wodór<br />
azot<br />
wapń<br />
fosfor<br />
potas<br />
siarka<br />
sód<br />
Chlor<br />
Magnez<br />
Żelazo<br />
Cynk<br />
Miedź<br />
Mangan<br />
Molibden<br />
Jod<br />
Kobalt<br />
45500,000<br />
12600,000<br />
7000,000<br />
2100,000<br />
1050,000<br />
700,000<br />
245,000<br />
175,000<br />
105,000<br />
105,000<br />
35,000<br />
4,000<br />
1,900<br />
0,200<br />
0,020<br />
0,015<br />
0,030<br />
0,003<br />
Zawartość pierwiastków (g)<br />
w „standar<strong>do</strong>wym"<br />
organizmie ludzkim (70 kg)<br />
Neandertalczyk <strong>–</strong> ok. 50 tys. lat p.n.e.<br />
(rekonstrukcja)
FLUOR<br />
pierwiastek potrzebny … i niebezpieczny<br />
Szkliwo zębów <strong>–</strong> głównie : Ca 5 (PO 4 ) 3 OH (hydroksyapatyt)<br />
F -<br />
fluoroapatyt Ca 5 (PO 4 ) 3 F (trudniej rozpuszczalny)<br />
FLUOROZA
WAPŃ<br />
• Osadzanie soli wapniowych jest<br />
niezbędne <strong>do</strong> rozwoju struktur pozakomórkowych<br />
<strong>–</strong> pancerzy, kości, zębów.<br />
• Przekaźnik drugiego rodzaju <strong>–</strong> swoisty<br />
pośrednik w przekazywaniu informacji<br />
od jej źródła <strong>do</strong> "wykonawców" na<br />
poziomie komórki<br />
• Bardzo ważna rola wapnia w procesie<br />
skurczu mięśni<br />
• Procesy krzepnięcia krwi<br />
• Czynnik stabilizujący struktury niektórych<br />
białek<br />
Termolizyna <strong>–</strong>en<strong>do</strong>peptydaza cynkowa obecna w<br />
Bacillus thermoproteolyticus. Jon Zn (II) jest<br />
niezbędny dla właściwego działania enzymu.<br />
Enzym działa prawidłowo w temperaturze ok.<br />
80°C, ale tylko <strong>do</strong> ok. 48°C gdy usunąć z niego<br />
Ca(II).
CYNK<br />
Każdy z nas (i nie tylko nas) musi oddychać …<br />
ANHYDRAZA WĘGLANOWA <strong>–</strong> jest pierwszą<br />
biocząsteczką, w której odkryto cynk.<br />
W jej centrum aktywnym przebiega<br />
odwracalna reakcja hydratacji :<br />
H 2 O + CO 2 HCO 3<br />
-<br />
+ H +<br />
Anhydraza węglanowa jest<br />
niezmiernie efektywnym<br />
katalizatorem - z jej udziałem<br />
powyższe reakcje przebiegają<br />
10 7 razy szybciej !!!<br />
1 mol cząsteczek enzymu<br />
może uwolnić w czasie 1<br />
sek. w temp. 37 o C aż 10 5<br />
moli CO 2 !!!
DEHYDROGENAZA<br />
ALKOHOLOWA<br />
z wątroby konia<br />
(LADH)<br />
RCH 2 OH + NAD + RCHO + NADH + H +<br />
I odpowiednio alkohole II-rzę<strong>do</strong>we <strong>do</strong> ketonów
Palce cynkowe <strong>–</strong> czyli jak czytać informację<br />
zawartą w DNA<br />
Regulatorowe białko drożdży<br />
GAL4 z <strong>do</strong>meną Zn 2 (Cys) 6<br />
Palce cynkowe czynnika TFIIIA
MIEDŹ<br />
W organizmach żywych szeroko rozpowszechniona ale<br />
w śla<strong>do</strong>wych ilościach.<br />
Podstawowa rola w wielu enzymach:<br />
• kataliza reakcji z przeniesieniem elektronu<br />
• kataliza reakcji z udziałem O 2<br />
• transport tlenu<br />
Niebieskie białka -<br />
przenośniki elektronów<br />
AZURYNY oraz<br />
PLASTOCYJANINY<br />
izolowane z chloroplastów<br />
roślin i innych organizmów<br />
z<strong>do</strong>lnych <strong>do</strong> fotosyntezy<br />
Plastocyjanina<br />
z topoli<br />
Centrum aktywne<br />
Cu(His) 2<br />
(Cys)(Met)<br />
Cu(II)<br />
+ e<br />
<strong>–</strong> e<br />
Cu(I)
Hemocyjanina (Hc) <strong>–</strong> Kto ma naprawdę błękitną krew ?<br />
(przenośnik tlenu)<br />
MIĘCZAKI i STAWONOGI ...<br />
bezbarwna<br />
błękitna
Choroba Menkesa<br />
• Przyczyna<br />
Choroba Menkesa pojawia się na skutek uszkodzenia genu regulującego<br />
metabolizm miedzi. Jest to gen związany z chromosomem X , chorują głównie<br />
osobniki płci męskiej. Poziom miedzi w wątrobie i mózgu jest nienormalnie niski<br />
osiągając jednocześnie poziom wyższy niż normalny w nerkach i wyściółce jelit.<br />
Symptomy choroby pojawiają się w dzieciństwie. Normalny lub nieco wolniejszy<br />
rozwój może trwać 2 <strong>do</strong> 3 miesięcy. Po nim następuje istotne zahamowanie,a<br />
nawet utrata wcześniej nabytych umiejętności. Charakterystyczne dla choroby<br />
Menkesa jest także żahamowanie wzrostu, niższa niż normalna ciepłota ciała i<br />
bardzo specyficzne uwłosienie, gdyż włosy są poskręcane, pozbawione barwy<br />
lub stalowo-szare oraz łamliwe. Obserwuje się uszkodzenia arterii w obrębie<br />
mózgu, a występująca równolegle osteoporoza sprawia, że kości są łamliwe.<br />
• Leczenie?<br />
Wcześnie rozpoczęte podawanie (zastrzyki podskórne lub <strong>do</strong>żylne) preparatów<br />
miedzi`może mieć skutek pozytywny. Inne metody sprowadzają się <strong>do</strong><br />
łagodzenia symptomów i mogą być tylko uzupełnieniem.<br />
• Prognozy<br />
Pronozowanie dla osobników <strong>do</strong>tkniętych chorobą Menkesa jest złe. Większość<br />
dzieci chorych na tę chorobę umiera w czasie pierwszej dekady życia.
Choroba Wilsona<br />
• Przyczyna<br />
W chorobie Wilsona wątroba nie jest z<strong>do</strong>lna <strong>do</strong> wydzielania nadmiaru miedzi <strong>do</strong><br />
żółci. W rezultacie kumulowania się miedzi <strong>do</strong>chodzi <strong>do</strong> uszkodzenia wątroby.<br />
Pojawiające się na skutek tego uszkodzenia niekontrolowane wydzielanie<br />
miedzi bezpośrednio <strong>do</strong> krwioobiegu uszkadza także nerki, mózg i oczy. Nie<br />
leczona choroba Wilsona kończy się ciężkim uszkodzeniem wątroby i śmiercią.<br />
• Objawy<br />
Choroba jest dziedziczna. Symptomy pojawiają się zazwyczaj ok. 6-20 roku<br />
życia. Najbardziej charakterystyczną oznaką jest występowanie rdzawych<br />
pierścieni w okolicy narożników oka. Pojawiająca się żółtaczka, krwawe<br />
wymioty i np. drżenie rąk, zaburzenia mowy czy sztywnienie mięśni to inne,<br />
również często spotykane objawy.<br />
• Prognozy<br />
Chorzy na chorobę Wilsona, u których rozpoznano chorobę <strong>do</strong>ść wcześnie,<br />
przez całe życie przyjmują takie leki jak np. D-penicylamina, wiążąca się łatwo<br />
z miedzią i usuwająca ją z ustroju. Prawidłowe leczenie pozwala pacjentowi<br />
prowadzić zupełnie normalne życia.
Nikiel i pierwsze kryształy enzymu<br />
B. Sumner 1946 <strong>–</strong> nagroda Nobla<br />
UREAZA - katalizuje hydrolizę mocznika:<br />
(NH 2 ) 2 CO + H 2 O = NH 2 CO(OH) + NH 3<br />
samorzutnie<br />
NH 2 CO(OH) = NH 3 + CO 2<br />
• Otrzymana w postaci krystalicznej<br />
w 1926 r. (z fasoli Jaś)<br />
• Znaleziono w niej nikiel w 1975 r.<br />
• Występuje w bakteriach, grzybach,<br />
niektórych roślinach.<br />
• Określono strukturę centrum<br />
aktywnego w ureazie bakteryjnej<br />
(Klebsiella Aerogenes) w 1995 r. !!!
Ureaza z Klebsiella Aerogenes<br />
Podstawową<br />
jednostką<br />
enzymu jest trimer =<br />
podjednostki α+β+ γ,<br />
z parą jonów Ni<br />
w podjednostce α<br />
Pearson, M. A., Karplus, P.<br />
A.: Crystal Structure of<br />
Wild-Type Klebsiella<br />
Aerogenes Urease at 100K<br />
(To be Published )<br />
Cały enzym<br />
to kilka jednakowych<br />
jednostek<br />
Protein Data Bank Deposition<br />
Date: 04-03-2000<br />
X-Ray<br />
Resolution [Å]: 1.60<br />
R-Value: 0.172
Kobalt<br />
i witamina B12, związek z wiązaniem metal-węgiel<br />
• CHOROBA ADDISONA<strong>–</strong>BIERMERA, dawniej nazywana<br />
złośliwą, została opisana po raz pierwszy w 1821 roku !!!<br />
anemią<br />
• W 1926 roku odkryto, że można jej przeciwdziałać podając w<br />
diecie wątrobę. Rozpoczęło to poszukiwania „czynnika<br />
wątrobowego”.<br />
• W roku 1948 wyizolowano czerwone kryształy „czynnika” <strong>–</strong><br />
nazwano go witaminą B12.<br />
• Zespół Dorothy Hodgkin w Oksfordzie przez ok. 10 lat<br />
pracował nad określeniem struktury związku metodą analizy<br />
rentgenowskiej.<br />
• Podjęto prace nad syntezą wit. B12 <strong>–</strong> zajęły ponad 10 lat…<br />
______________________________________________________________________<br />
• WYNIK: wiedza na temat wit. B12 oraz 3 nagrody<br />
Nobla z chemii i 1 z medycyny…
Nagrody Nobla<br />
•1934.Whipple(California), Minot and Murphy<br />
(Massachusetts) : (Physiology and Medicine) :<br />
the discovery of "anti-pernicious anemia factor",<br />
obecnie nazywany witaminą B12<br />
•1964.Dorothy Crowfoot Hodgkin (Oxford) :<br />
(Chemistry) : determinations by X-ray techniques of<br />
the structures of important biochemical substances.<br />
•1965.R.B.Woodward (Harvard) : (Chemistry) :<br />
outstanding achievements in the art of organic<br />
synthesis<br />
•1981.K.Fukui (Kyoto) and R.Hoffman (Cornell) :<br />
(Chemistry) : quantum mechanical studies of<br />
chemical reactivity
Witamina B12<br />
Rolę R może spełniać:<br />
Grupa 5'-deoxyadenozylowa,<br />
CH 3 , H 2 O, OH, CN (handlowa)<br />
Jedyna znana biocząsteczka<br />
z wiązaniem metal-węgiel !!!<br />
ryboza<br />
5,6-dimetylobenzimidazol<br />
Potrzebujemy jedynie śla<strong>do</strong>wych<br />
ilości witaminy B12, ok.1 µg<br />
dziennie. Człowiek jej nie<br />
wytwarza w przeciwieństwie <strong>do</strong><br />
bakterii,obecnych w wolu<br />
przeżuwaczy. Zaburzenia<br />
wchłaniania B12 z przewodu<br />
pokarmowego prowadzą <strong>do</strong><br />
anemii.
Trzy typy reakcji przebiegających z udziałem<br />
witaminy B12<br />
1. Procesy realizowane przez mutazy <strong>–</strong> wodór i grupa związana<br />
z sąsiednim atomem węgla zamieniają się miejscami.<br />
Niekiedy towarzyszy takim procesom eliminacja NH 3 lub H 2 O.
2. Redukcja rybozy <strong>do</strong> deoksyrybozy<br />
3. Przeniesienie grupy metylowej (wytwarzanie znacznych ilości<br />
metanu przez przeżuwacze)
Żelazo i przenoszące elektrony białka żelazowo-siarkowe<br />
Fe 4 S 4 (S-cys)<br />
3<strong>–</strong><br />
4<br />
- e<br />
+ e<br />
Fe 4 S 4 (S-cys)<br />
2<strong>–</strong><br />
4 (<strong>–</strong> 400mV)<br />
Fe 4 S 4 (S-cys)<br />
2<strong>–</strong><br />
4<br />
- e<br />
+ e<br />
Fe 4 S 4 (S-cys)<br />
<strong>–</strong><br />
4 (+ 350mV)<br />
rubre<strong>do</strong>ksyna z<br />
Clostridium pasteurianum<br />
ferre<strong>do</strong>ksyna z<br />
Spirulina platensis<br />
8Fe-ferre<strong>do</strong>ksyna
Molibden<br />
i nitrogenaza (wiązanie N 2 z atmosfery)<br />
Katalizuje redukcję azotu <strong>do</strong><br />
amoniaku <strong>–</strong> kluczową reakcję<br />
biologicznego obiegu azotu.<br />
Jest układem enzymatycznym<br />
złożonym z :<br />
• białka przenoszącego elektrony,<br />
z klasterem [4Fe-4S],<br />
• homocytrynianu białka, w skład<br />
którego wchodzi tzw. kofaktor<br />
żelazo-molibdenowy (FeMoco).<br />
N 2 + 8H + + 8e <strong>–</strong> = 2NH 3 + H 2<br />
( 6e - ) (2e - )<br />
Enzym realizuje też reakcje inne, np.:<br />
C 2 H 2 + 2e <strong>–</strong> + 2H + = C 2 H 4<br />
HCN + 4e <strong>–</strong> + 4H + = CH 3 NH 2<br />
Struktura kofaktora Fe-Mo<br />
w FeMo-proteinie nitrogenazy
BIOMINERALIZACJA<br />
Ponad 60 minerałów jest wytwarzanych przez żywe<br />
organizmy:<br />
<strong>–</strong> minerały amorficzne,<br />
<strong>–</strong> kryształy nieorganiczne i organiczne,<br />
zazwyczaj w celu usztywnienia, bądź ochrony.<br />
Obfitość Ca w oceanach, oraz rola wapnia jako przekaźnika<br />
drugiego rodzaju w komórkach mogą tłumaczyć, dlaczego<br />
ok. 50 % spośród nich to sole wapnia w tym dwa główne<br />
minerały szkieletowe<strong>–</strong>węglan wapnia (kalcyt i aragonit)<br />
oraz fosforan wapnia.<br />
Tylko kilka minerałów amorficznych spełnia funkcje<br />
szkieletowe <strong>–</strong> najważniejszym z nich jest krzemionka.
Węglan wapnia CaCO 3<br />
Odmiany polimorficzne węglanu wapnia :<br />
aragonit <strong>–</strong>układ rombowy (rzadko), kalcyt <strong>–</strong>układ trygonalny (często)<br />
Sferulity głowonoga Nautilus<br />
pompilius (Aragonit)<br />
Cierń jeżowca morskiego<br />
Paracentrotus lividus (Kalcyt)
BIOMINERALIZACJA<br />
Inne, przykła<strong>do</strong>we funkcje minerałów amorficznych:<br />
• amorficzne węglan i fosforan wapnia często służą jako<br />
"magazyn" jonów niezbędnych dla metabolizmu komórki,<br />
• amorficzny pirofosforan wapnia często pełni rolę<br />
"gospodarza" dla metali toksycznych.<br />
Inne, specyficzne funkcje minerałów krystalicznych:<br />
• systemy postrzegania zmian grawitacji (kryształy w roli<br />
specyficznych ciężarków, których ruch jest odczuwalny<br />
przez odp. układy czujników),<br />
• pojedyncze kryształy magnetytu są używane przez wiele<br />
bakterii, alg i zwierząt <strong>do</strong> orientacji względem pola<br />
magnetycznego Ziemi.
BIOMINERALIZACJA<br />
warstwa twardego magnetytu<br />
(mięczak zdrapuje pożywienie)<br />
dallit (amorficzny fosforan wapnia)<br />
Przekrój pojedynczego "zęba"<br />
(zmineralizowanego) z płytki zębowej<br />
mięczaka Accanthopleura had<strong>do</strong>ni<br />
Zmineralizowane ściany komórkowe<br />
Triticum aestivum<br />
Wiele roślin, szczególnie traw, stosuje<br />
amorficzną krzemionkę jako swoistego<br />
rodzaju "materiał ścierny",<br />
odstręczający roślinożerców.
o KRZEM ki<br />
Anna Kropidłowska<br />
piątek, 14 listopada 2003 r.
Change language